KR101494148B1 - 병렬 안테나 및 병렬 안테나가 구비된 태그 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나의 통신 칩에 연결되는 복수의 루프 안테나가 구비된 병렬 안테나 및 그 안테나가 구비된 태그에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 의한 병렬 안테나는 통신 칩; 상기 통신 칩과 연결되는 제1루프 안테나; 상기 통신 칩과 연결되고 상기 제1루프 안테나와 병렬로 배열된 제2루프 안테나를 포함할 수 있다. 특히, 상기 제1루프 안테나와 상기 제2루프 안테나의 페루프 내부 영역은 서로 겹쳐지지 않는 것을 특징으로 한다.

Description

병렬 안테나 및 병렬 안테나가 구비된 태그{PARALLEL ANTENNA AND TAG WITH THE PARALLEL ANTENNA}
본 발명은 병렬 안테나 및 병렬 안테나가 구비된 태그에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나의 통신 칩에 연결되는 복수의 루프 안테나가 구비된 병렬 안테나 및 그 안테나가 구비된 태그에 관한 것이다.
엔에프시(NFC: Near Field Communication)는 상품, 물품 등에 정보가 저장되어 있는 전자 태그를 부착하고 이를 리드 모드로 읽어 해당 상품 또는 물품의 이력, 내용 등을 확인하거나 전자결제 또는 일대일 통신하는 것으로, 전자 태그 또는 리더기에는 13.56 MHz 대역의 무선 주파수에서 공진(resonate)되도록 안테나를 포함하는 안테나부가 구성되어 있다.
일반적인 루프안테나의 성능은 안테나의 인덕턴스(L), 캐패시턴스(C)와 저항(R)이 안테나 특성과 밀접한 관련이 있다. 이때 안테나의 재질과 형상에 따라 내부의 저항, 인덕턴스, 캐패시턴스의 값은 결정이 되는데, 이를 재조정 하기 위해서는 안테나의 재질, 두께, 폭, 직경 등을 바꾸어야 하는 번거로움이 생길 수 밖에 없다. 또한 안테나의 성능을 향상 시키기 위해 안테나를 병렬로 연결하는 경우 안테나의 저항값은 줄어들고 따라서 성능은 향상된다.
한편, 무선 전력전송이나, RFID, NFC 시스템 등에서 고가의 스마트폰이나 각종 휴대형 리더기들이 제작되고 사용되고 있고, 대부분 안테나의 위치는 상기 리더기들의 일정한 위치에 내장되어 있는데, 단말기의 사이즈를 줄이기 위해 점점 안테나의 크기는 줄어들고 있다.
더구나 안테나의 위치도 상기 리더기들의 후면에 위치하고 있는 것이 대부분이며, 후면에 위치한 안테나는 사용자가 상기 시스템을 이용할 경우 눈으로 볼 수 없고, 안테나 위치를 추측과 경험에 의하여 서로 근접시킬 수 밖에 없다. 리더기들도 제조사 별로 내장되는 루프 안테나의 위치가 다양하여, 상기 리더기의 윗부분, 중앙, 하단부, 측면부 등에 위치 하는데, 사용자가 이를 정확히 알지 못하고 사용하는 경우가 일반적이다. 상기와 같은 이유로 리더기를 태그에 무의식 적으로 정확히 근접시키는 것이 어렵다.
대한민국 공개번호 제10-2013-0025571호는 기판의 상면에 형성되는 제1 루프, 기판의 상면에 제1 루프와 상호 이격하여 형성되는 제2 루프, 기판의 상면에 제1 루프 및 제2 루프와 각각 일정 간격 이격하여 형성되고 제1 루프 및 제2 루프로부터 각각 커플링 급전되는 공통 방사체, 기판의 저면에 제1 루프와 대응되는 위치에 형성되는 제1 기생 패치, 및 기판의 저면에 제1 기생 패치와 상호 이격하고, 제2 루프와 대응되는 위치에 형성되는 제2 기생 패치를 포함하는 다중 안테나를 개시하고 있다.
하지만, 상기 공개번호 제10-2013-0025571호는 안테나 인식 범위를 넓히는 기술에 대해서는 개시하지 않고 있다.
따라서 안테나의 인식 범위를 넓혀 리더기와 태그의 루프 안테나를 용이하게 근접시킬 수 있는 기술에 대한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 하나의 칩에 연결된 복수의 안테나가 개별적으로 동작하도록 함으로써, 넓은 인식 범위를 가지고 있는 병렬 안테나 및 상기 안테나가 구비된 태그를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일실시예에 의하면, 통신 칩; 상기 통신 칩과 연결되는 제1루프 안테나; 상기 통신 칩과 연결되고 상기 제1루프 안테나와 병렬로 배열된 제2루프 안테나를 포함하되, 상기 제1루프 안테나와 상기 제2루프 안테나의 페루프 내부 영역은 서로 겹쳐지지 않는 병렬 안테나가 제공된다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일실시예에 의하면, 복수의 루프 안테나가 구비된 병렬 안테나가 구비된 태그에 있어서, 상기 병렬 안테나는 통신 칩; 상기 통신 칩과 연결되는 제1루프 안테나; 상기 통신 칩과 연결되고 상기 제1루프 안테나와 병렬로 배열된 제2루프 안테나를 포함하되, 상기 제1루프 안테나와 상기 제2루프 안테나의 페루프 내부 영역은 서로 겹쳐지지 않는 태그가 제공된다.
본 발명의 일실시예에 의한 병렬 안테나 및 병렬 안테나가 구비된 태그는 하나의 칩에 연결된 복수의 안테나가 개별적으로 동작하여, 안테나의 인식 범위를 넓힐 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 안테나의 인식 범위를 넓게 하면서도 전력과 데이터의 송수신 성능이 저하되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일실시예와 관련된 병렬 안테나가 구비된 태그의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 3은 본 발명의 일실시예와 관련된 병렬 안테나에 포함된 루프 안테나의 배치의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예와 관련된 병렬 안테나에 포함된 루프 안테나 간의 이격 거리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 일실시예와 관련된 병렬 안테나의 등가 회로를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 일실시예와 관련된 병렬 안테나 및 병렬 안테나가 구비된 태그에 대해 도면을 참조하여 설명하도록 하겠다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예와 관련된 병렬 안테나가 구비된 태그(Tag)의 구조를 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 태그(200)는 복수의 루프 안테나가 병렬로 연결된 병렬 안테나(100)를 구비하고 있다. 상기 태그(200)는 단순한 인식용 태그에서부터 휴대폰 결제 및 교통 등에 사용되는 비접촉 통신 방식인 RF카드 등을 비롯하여 다양한 형태로 제작될 수 있다.
상기 태그(200)는 근거리 통신을 이용하여 인식될 수 있는 태그로, 예를 들어 NFC(Near Field Communication) 태그를 포함할 수 있다. 상기 NFC 태그는 NFC 기능을 구비한 스마트 폰, RF 리더기 등을 통해 인식될 수 있다.
병렬 안테나(100)는 4개의 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 04)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 4개의 다중 루프 안테나에 대해 설명하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 4개의 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 04)는 하나의 통신 칩(110)과 연결되어 있다. 상기 통신 칩(110)은 Tag IC를 포함할 수 있다.
상기 4개의 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 04) 각각은 4개의 주파수 보상 소자(C1 ~ C4)와 각각 병렬로 연결되어 있다. 상기 주파수 보상 소자(C1 ~ C4)는 안테나의 동작 주파수를 조정(필터링, Filtering)하기 위한 소자를 의미한다. 예를 들어, 상기 주파수 보상 소자(C1 ~ C4)는 커패시터 형태로 구현될 수 있다.
참조 부호 CI 1 내지 CI 4는 각 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 04)의 폐루프 내부 영역(식별되게 표시됨)을 의미한다. 상기 폐루프 내부 영역(CI 1 ~ CI 4)는 각 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 04)에서 가장 내부에 위치한 코일에 의해 형성되는 영역을 의미한다.
상기 4개의 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 04)는 각자의 폐루프 내부 영역(CI 1 ~ CI 4)이 서로 겹쳐지지 않게 배치될 수 있다. 만일 폐루프 내부 영역(CI 1 ~ CI 4)이 서로 겹쳐지는 경우, 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 04)의 내부 면적으로 유도되는 자력선의 세기가 인접하는 다른 루프 안테나로 흡수되어 버리기 때문에, 통신을 할 수가 없게 된다. 즉, 상기와 같은 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 04)의 배치로 인해, 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 04) 각각이 개별적으로 통신을 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 04)의 코일이 감기는 방향은 모두 동일할 수 있다. 이는 루프 안테나가 감기는 방향이 동일해야 전류 방향이 동일하고, 그래야 기전력이 커져 통신이 잘 되기 때문이다.
도 2는 본 발명의 일실시예와 관련된 병렬 안테나에 포함된 루프 안테나의 배치의 일례를 나타내는 도면이다. 설명의 편의를 위해, 제1루프 안테나(ANT 01)와 제2루프 안테나(ANT 01)의 배치에 대해서만 설명하도록 한다.
도 2는 제1루프 안테나(ANT 01)와 제2루프 안테나(ANT 02)가 일부 중첩되지만, 각자의 폐루프 내부 영역(CI 2, CI 2)은 서로 서로 겹쳐지는 경우를 나타낸다. 이 경우도, 폐루프 내부 영역(CI 2, CI 2)이 서로 겹쳐지지 않기 때문에, 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 02) 각각이 개별적으로 통신을 수행할 수 있다.
한편, 각각의 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 02)는 동일한 면에 형성되거나 또는 평행한 면에 형성될 수 있다. 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 02)가 평행한 면에 형성된 경우, 상기 폐루프 내부 영역(CI 1, CI 2)의 겹쳐짐 여부 판단은 동일한 평면상에 폐루프 내부 영역(CI 1, CI 2)을 투영시켰을 경우, 2개의 폐루프 내부 영역(CI 1, CI 2)이 겹쳐지는가 기준으로 판단할 수 있다.
도 3은 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 02)가 평행한 면에 형성된 경우의 예를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 제1루프 안테나(ANT 01)는 양면 PCB(300)의 상면에 배치되고, 제2루프 안테나(ANT 02)는 양면 PCB(300)의 하면에 배치된다. 이 경우, 상기 폐루프 내부 영역(CI 1, CI 2)의 겹쳐짐 여부 판단은 동일한 평면상에 폐루프 내부 영역(CI 1, CI 2)을 투영시켰을 경우, 2개의 폐루프 내부 영역(CI 1, CI 2)이 겹쳐지는가 기준으로 판단할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 의하면, 제1루프 안테나(ANT 01)와 제2루프 안테나(ANT 02)는 소정 간격 이격되어 배치될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예와 관련된 병렬 안테나에 포함된 루프 안테나 간의 이격 거리를 설명하기 위한 도면이다. 본 명세서에서 안테나간 거리는 제1루프 안테나의 최외곽 코일과 제2루프 안테나의 최외곽 코일이 이루는 거리 중 최단 거리를 의미한다.
도시된 바와 같이, 제1루프 안테나(ANT 01)와 제2루프 안테나(ANT 02)가 이루는 이격 거리는 A이다. W는 코일의 선폭을 나타내고, G는 코일간의 거리를 나타낸다.
루프 안테나(ANT 01, ANT 02) 간의 이격 거리(A)가 코일간의 거리(G)의 2배 이상일 경우가 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 02)가 중첩되어 배치된 경우보다 통신을 통한 인식 범위가 더 넓어질 수 있다.
도 5는 하나의 병렬 안테나에 하나의 병렬 커패시터(CA)와 두개의 직렬 캐패시터(CB1, CB2)가 연결된 예를 나타낸다.
본 실시예에서는 주파수 보상 소자의 예로 커패시터가 사용된 예를 나타낸다. 상기 커패시터는 고유의 특성값(예: 커패시턴스)을 가진다.
각각의 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 04)와 특정 외부 안테나(예를 들어, Tag 리더기에 구비된 안테나)에 의해 발생되는 공진 주파수가 동일한 값을 갖도록, 상기 커패시터(CA, CB1, CB2)의 특성값(즉, 커패시턴스)의 결정할 수 있다. 즉, 상기 결정된 특성값(즉, 커패시턴스)을 가지는 커패시터(CA, CB1, CB2)가 주파수 보상 소자로서 사용될 수 있다.
도 6은 병렬 안테나에 구비된 4개의 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 04) 각각에 4개의 커패시터(CA1 ~ CA4)가 병렬로 연결되고, 2개의 캐패시터(CB1, CB2)가 직렬로 연결된 예를 나타낸다. 상기 커패시터(CA1 ~ CA4, CB1, CB2)의 특성값 역시 각각의 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 04)와 특정 외부 안테나(예를 들어, Tag 리더기에 구비된 안테나)에 의해 발생되는 공진 주파수가 동일해지도록 하는 값으로 결정될 수 있다.
상기와 같이, 4개의 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 04)에 4개의 커패시터(CA1 ~ CA4)를 각각 연결할 경우, 안테나마다 별도로 동작 주파수의 튜닝이 가능하다. 또한, 상기와 같이, 4개의 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 04)에 4개의 커패시터(CA1 ~ CA4)를 각각 연결할 경우, 4개의 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 04) 중 어느 하나가 연결이 안 되거나 고장이 나더라도, 나머지 안테나는 작동이 가능하다.
한편, 본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 4개의 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 04) 각각에 4개의 커패시터(CA1 ~ CA4)는 직렬로도 또는 병렬로도 연결 가능하다.
이하에서는 각 루프 안테나의 동작 주파수 보상을 위해 커패시터를 사용하는 이유에 대해 좀 더 구체적으로 설명하기로 한다.
4개의 루프 안테나4개의 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 04)가 구비된 병렬 안테나가 리더기의 안테나(편의상, '외부 안테나'라 함)와 근접될 때 상기 다중 루프 안테나들 중에서 가장 근접한 루프 안테나와 상기 외부 안테나는 통신을 하게 된다. 이때 나머지 통신을 하지 않는 다른 루프 안테나의 공진 주파수가 가장 근접하여 통신이 이루어지는 루프 안테나에 영향을 주어서는 안 된다. 만약 영향을 주게 된다면 이는 결국 Noise로 작용하게 되어 통신에 악영향을 끼치게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 각 루프 안테나4개의 루프 안테나(ANT 01 ~ ANT 04)에 개별적으로 연결된 필터링 커패시터(CA1 ~ CA4)를 이용한다. 하기 수학식 1은 공진 주파수를 산출하는 수식을 나타낸다.
Figure 112013042355513-pat00001
여기서, f0는 병렬 안테나의 공진 주파수를 말하고, L은 루프 안테나의 인덕턴스를 말하며, C는 태그 칩(각 안테나가 연결된 태그 칩(Tag IC))의 커패시턴스를 말한다.
상기 수학식 1에서 알 수 있듯이 커패시턴스값(C)는 루프 안테나의 공진 주파수와 반비례하기 때문에, 이 커패시턴스의 값을 조절하여 각 루프 안테나의 성능을 원하는 공진주파수로 최적화 시킬 수 있다.
결국 CA1, CA2, CA3, CA4는 Ant 01, Ant 02, Ant 03, Ant 04와 개별적으로 매칭되어 동일한 동작 주파수를 가지도록 Filtering 한다. 이렇게 Filterig 되어진복수의 루프 안테나는 다시 CB1, CB2와 직렬로 연결되어 병렬 안테나의 공진 주파수를 상기 수학식 1에 의하여 매칭시킬 수 있다.
상기 공진 주파수가 매칭되어진 복수의 루프 안테나는 하나의 태그 칩에 연결되어 리더기가 근접될 때에 가장 근접한 루프 안테나가 통신을 수행하게 된다. 이때 주변의 다른 루프 안테나로 들어오는 낮은 자기력 선속은 그 세기가 약하지만, 동일한 공진 주파수를 갖고 있기 때문에, 통신에 방해 요소가 되지 않으며, 상기 가장 근접한 루프 안테나의 외부 영역으로 방출되는 자력 선속을 모아주는 역할을 하게 된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 병렬 안테나 및 병렬 안테나가 구비된 태그는 하나의 칩에 연결된 복수의 안테나가 개별적으로 동작하여, 안테나의 인식 범위를 넓힐 수 있다.
상기와 같이 설명된 병렬 안테나 및 병렬 안테나가 구비된 태그는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
100: 병렬 안테나
110: 통신 칩
ANT 01 ~ ANT 04: 루프 안테나
CI 01 ~ CI 04: 루프 안테나의 폐루프 내부 영역
C1 ~ C4: 주파수 보상 소자
CA1 ~ CA4, CB1, CB2: 커패시터
300: 양면 PCB

Claims (12)

  1. 통신 칩;
    상기 통신 칩과 연결되는 제1루프 안테나;
    상기 통신 칩과 연결되고 상기 제1루프 안테나와 병렬로 배열된 제2루프 안테나; 및
    주파수 보상 소자를 포함하되,
    상기 제1루프 안테나와 상기 제2루프 안테나의 폐루프 내부 영역은 서로 겹쳐지지 않고,
    상기 주파수 보상 소자의 특성값은 상기 제1루프 안테나와 특정 외부 안테나에 의해 발생되는 제1동작 주파수와 상기 제2루프 안테나와 상기 특정 외부 안테나에 의해 발생되는 제2동작 주파수가 동일해지도록 하는 특성값인 것을 특징으로 하는 병렬 안테나.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 주파수 보상 소자는
    상기 제1루프 안테나와 연결될 제1주파수 보상 소자; 및
    상기 제2루프 안테나와 연결될 제2주파수 보상 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 안테나.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1루프 안테나와 상기 제2루프 안테나와의 거리는 상기 제1루프 안테나의 코일 간 거리 및 상기 제2루프 안테나의 코일 간 거리 중 어느 하나의 2배 이상인 것을 특징으로 하는 병렬 안테나.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1루프 안테나가 감기는 방향과 상기 제2루프 안테나가 감기는 방향은 동일한 것을 특징으로 하는 병렬 안테나.
  7. 복수의 루프 안테나가 구비된 병렬 안테나가 구비된 태그에 있어서,
    상기 병렬 안테나는
    통신 칩;
    상기 통신 칩과 연결되는 제1루프 안테나;
    상기 통신 칩과 연결되고 상기 제1루프 안테나와 병렬로 배열된 제2루프 안테나; 및
    주파수 보상 소자를 포함하되,
    상기 제1루프 안테나와 상기 제2루프 안테나의 페루프 내부 영역은 서로 겹쳐지지 않고,
    상기 주파수 보상 소자의 특성값은 상기 제1루프 안테나와 특정 외부 안테나에 의해 발생되는 제1동작 주파수와 상기 제2루프 안테나와 상기 특정 외부 안테나에 의해 발생되는 제2동작 주파수가 동일해지도록 하는 특성값인 것을 특징으로 하는 태그.
  8. 삭제
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 주파수 보상 소자는
    상기 제1루프 안테나와 연결될 제1주파수 보상 소자; 및
    상기 제2루프 안테나와 연결될 제2주파수 보상 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 태그.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1루프 안테나와 상기 제2루프 안테나와의 거리는 상기 제1루프 안테나의 코일 간 거리 및 상기 제2루프 안테나의 코일 간 거리 중 어느 하나의 2배 이상인 것을 특징으로 하는 태그.
  11. 삭제
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1루프 안테나가 감기는 방향과 상기 제2루프 안테나가 감기는 방향은 동일한 것을 특징으로 하는 태그.
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